蘇良碧

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036002）

礦用自卸卡車(chē)在運(yùn)行的過(guò)程中，大概25%的能量消耗在制動(dòng)過(guò)程中。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用能耗制動(dòng)的方式進(jìn)行制動(dòng)，即電動(dòng)輪中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能再通過(guò)電阻柵進(jìn)行消耗，如果對(duì)卡車(chē)所消耗的制動(dòng)能量進(jìn)行有效回收利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的同時(shí)還可以減少污染氣體的排放。中煤平朔集團(tuán)與武漢科技大學(xué)共同成功研制了1 套礦用自卸卡車(chē)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)，在卡車(chē)制動(dòng)時(shí)通過(guò)DC/DC 變換電路將制動(dòng)能量傳輸?shù)絻?chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)存起來(lái)，在卡車(chē)需要電能時(shí)再將這部分能量回饋到電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通過(guò)以上方式可有效實(shí)現(xiàn)礦用自卸卡車(chē)制動(dòng)能量的回收與利用[1]。

1 礦用卡車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

1.1 930E 礦用自卸卡車(chē)電氣系統(tǒng)

小松（KOMATSU）公司生產(chǎn)的930E 型礦用自卸卡車(chē)是中煤平朔集團(tuán)的主要露天采礦機(jī)械，該型號(hào)礦用卡車(chē)采用了最新型的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，具有安全性好、載重量大、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)。該型號(hào)礦用自卸卡車(chē)的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器、制動(dòng)電阻柵等組成，930E 礦用卡車(chē)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1。

圖1 930E 礦用卡車(chē)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1）卡車(chē)工作于正常牽引模式時(shí)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同軸的發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，整流電路將發(fā)電機(jī)所發(fā)出的交流電整流為直流電輸送到公共直流母線上，通過(guò)中間電容進(jìn)行穩(wěn)壓濾波后，輸送到由功率元器件IGBT 所組成的逆變器電路，在INVERTEX 系統(tǒng)控制下，直流電再次轉(zhuǎn)換為交流電輸送到電動(dòng)輪定子繞組中，并在定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。磁感應(yīng)線切割轉(zhuǎn)子繞組中的鼠籠導(dǎo)條并形成與定子繞組磁場(chǎng)方向相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子中的磁場(chǎng)吸引（排斥）轉(zhuǎn)子中的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并輸出與定子磁場(chǎng)方向相同的扭矩，帶動(dòng)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，卡車(chē)實(shí)現(xiàn)牽引過(guò)程。

2）卡車(chē)工作于動(dòng)態(tài)制動(dòng)模式時(shí)，卡車(chē)由于慣性的作用帶動(dòng)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速高于電動(dòng)輪定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，此時(shí)轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子吸引（排斥）定子磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子輸出與定子方向相反的扭矩，轉(zhuǎn)子起到制動(dòng)的作用，此時(shí)電動(dòng)輪可以看做是發(fā)電機(jī)，即將卡車(chē)在行駛過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為三相交流電，通過(guò)逆變器電路將能量逆向整流后消耗在公共直流母線中的制動(dòng)電阻柵上。制動(dòng)能量以熱量的形式通過(guò)風(fēng)機(jī)散熱，從而達(dá)到減速的目的[2]。

1.2 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)方式

1）能耗制動(dòng)。該制動(dòng)方式通過(guò)逆變技術(shù)將制動(dòng)電能轉(zhuǎn)換為直流電回饋到直流母線，通過(guò)直流回路中的制動(dòng)電阻來(lái)吸收電機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)變頻器快速制動(dòng)的過(guò)程，制動(dòng)電氣回路主要由斬波器與制動(dòng)電阻所組成。能耗制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染。由于礦用卡車(chē)多采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的調(diào)速系統(tǒng)，因此非常適用于采用能耗制動(dòng)的方式。能耗制動(dòng)的缺點(diǎn)是：運(yùn)行效率低，能耗大，礦車(chē)在頻繁制動(dòng)的過(guò)程中需要消耗大量的制動(dòng)能量，同時(shí)需要更大容量的制動(dòng)電阻。

2）回饋制動(dòng)。回饋制動(dòng)是將制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的能量通過(guò)有源逆變技術(shù)轉(zhuǎn)換為與供電電源同頻率同相位的交流電回饋電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)的過(guò)程?；仞佒苿?dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：可以使電機(jī)在四象限運(yùn)行，制動(dòng)能量直接回饋電網(wǎng)，能量回收速度快、效率高、利用率大。回饋制動(dòng)的缺點(diǎn)是：對(duì)供電電源的要求比較高，只有在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的情況下（電壓波動(dòng)小于15%），才可以使用回饋制動(dòng)，因此適用于外接大容量供電電源的采掘機(jī)械，例如電鏟、采煤機(jī)等設(shè)備。在回饋制動(dòng)的過(guò)程中，如果電網(wǎng)電壓故障時(shí)間大于2 ms，就可能造成系統(tǒng)換向失敗，產(chǎn)生故障，造成電氣元器件損壞。同時(shí)其控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配件成本較高，系統(tǒng)故障率高，在回饋過(guò)程中會(huì)對(duì)供電電網(wǎng)造成污染。

3）直流制動(dòng)。實(shí)現(xiàn)該制動(dòng)方式需要變頻器的輸出接近為0，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降到一定數(shù)值時(shí)，變頻系統(tǒng)向電動(dòng)機(jī)定子繞組中通入直流電，在定子繞組中形成靜止磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子切割靜止磁場(chǎng)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速停止旋轉(zhuǎn)。該制動(dòng)方式適用于需要平穩(wěn)無(wú)沖擊、準(zhǔn)確停車(chē)的場(chǎng)合，例如行吊、起重機(jī)、提升機(jī)等；或者適用于電機(jī)啟動(dòng)前由于外界等因素造成電機(jī)不規(guī)則旋轉(zhuǎn)，需要保持電機(jī)靜止的場(chǎng)合[3]，例如礦井中使用的中大型風(fēng)機(jī)，在變頻器停止輸出的狀態(tài)下，風(fēng)管中由于壓差所造成的的風(fēng)很可能造成風(fēng)葉自由旋轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，此時(shí)就需要使用到直流制動(dòng)。

2 930E 礦用自卸卡車(chē)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)

制動(dòng)能量的回收與利用一直是變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，利用儲(chǔ)能技術(shù)很好地解決了這一難題，具體設(shè)計(jì)思路為：將卡車(chē)制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中，當(dāng)卡車(chē)需要?jiǎng)幽軙r(shí)再將這一部分能量回饋到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，從而減少能量的損耗，實(shí)現(xiàn)了能源利用的最大化。常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)有電池儲(chǔ)能、電容器儲(chǔ)能、電感器儲(chǔ)能等[4]，本項(xiàng)目采用由超級(jí)電容與蓄電池所組成的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)。

2.1 能量回收與利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)大型礦用自卸車(chē)電氣制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，本項(xiàng)目利用DC/DC 雙向變換電路將制動(dòng)能量回收儲(chǔ)存到超級(jí)電容和蓄電池當(dāng)中；當(dāng)?shù)V用卡車(chē)加速行駛過(guò)程中需要使用動(dòng)能時(shí)，超級(jí)電容與蓄電池中的能量再通過(guò)DC/DC 雙向變換電路回饋到直流母線當(dāng)中[5]。DC/DC 雙向變換電路具體組成結(jié)構(gòu)為H 橋變換電路，該電路由4 個(gè)IGBT 所組成，輸入端與卡車(chē)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直流母線相連接，輸出端與儲(chǔ)能蓄電池相連接，能量回收回饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 能量回收回饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

H 橋電路使能量實(shí)現(xiàn)了雙向流動(dòng)，能量回收與回饋的具體過(guò)程如下：

1）能量回收過(guò)程。當(dāng)?shù)V用卡車(chē)處于剎車(chē)或者下坡?tīng)顟B(tài)時(shí)，此時(shí)電動(dòng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高定子于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)處于正轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)功率元器件S2與S3導(dǎo)通[6]。電路的左半部分組成BOOST 電路，該電路使直流母線電壓升高并保持穩(wěn)定，超級(jí)電容作為前級(jí)儲(chǔ)能元件用于吸收波峰電壓與浪涌電流。電路的右半部分組成BUCK電路，該電路使直流母線電壓得到降低并將最終的制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存到蓄電池當(dāng)中，從而完成了能量的回收與儲(chǔ)存過(guò)程。

2）能量回饋過(guò)程。當(dāng)?shù)V用卡車(chē)處于加速行駛狀態(tài)時(shí)，此時(shí)電動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，功率元器件S1與S4導(dǎo)通。電路的右半部分組成BOOST 電路，該部分電路將蓄電池的電壓升高并保持直流母線電壓穩(wěn)定，蓄電池中的能量流動(dòng)到超級(jí)電容當(dāng)中。電路的左半部分組成BUCK電路，該部分將直流母線的電壓進(jìn)行降壓，并根據(jù)礦車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)將超級(jí)電容中的能量回饋到變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，完成能量的回饋過(guò)程[7]，制動(dòng)能量的回饋過(guò)程與回收過(guò)程恰好相反。

2.2 硬 件

礦用自卸卡車(chē)制動(dòng)能量回收與利用系統(tǒng)的核心控制器主要由DSP+FPGA 所組成，該硬件架構(gòu)利用到了DSP 芯片復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力與FPGA 芯片的快速數(shù)據(jù)處理速度，具有結(jié)構(gòu)靈活、通用性強(qiáng)、模塊化設(shè)計(jì)、算法效率高的特點(diǎn)。DSP 控制器主要負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算、算法控制，主要負(fù)責(zé)控制與監(jiān)測(cè)各個(gè)接觸器（K1、K2、K3、K4）的運(yùn)行狀態(tài)，以及監(jiān)測(cè)卡車(chē)電機(jī)電壓電流等信號(hào)；FPGA 主要負(fù)責(zé)對(duì)H橋DCDC 變換電路的4 個(gè)IGBT 進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制（輸出高速PWM 脈沖控制IGBT 的關(guān)斷），以及進(jìn)行高速模擬量信號(hào)采樣，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的輸入量信號(hào)以及輸出控制信號(hào)主要包括：

1）模擬量輸入信號(hào)。電機(jī)電流、蓄電池電流、發(fā)電機(jī)電流、電機(jī)電壓、直流母線電壓、蓄電池電壓、剎車(chē)踏板電壓、油門(mén)踏板電壓、超級(jí)電容電流、超級(jí)電容電壓等信號(hào)。

2）數(shù)字量輸入信號(hào)。電機(jī)側(cè)接觸器反饋信號(hào)K1、蓄電池側(cè)接觸器K2反饋信號(hào)、預(yù)充電接觸器K3反饋信號(hào)、直流母線接觸器K4反饋信號(hào)、系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)、系統(tǒng)復(fù)位等信號(hào)。

3）數(shù)字量輸出信號(hào)。接觸器（K1、K2、K3、K4）控制信號(hào)、能量回收（蓄電池儲(chǔ)能）信號(hào)、能量回饋信號(hào)、正常運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)、停機(jī)信號(hào)。

2.3 軟 件

能量回收回饋控制系統(tǒng)首先通過(guò)AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集電機(jī)、直流母線、蓄電池的電壓信號(hào)，通過(guò)所采集到的信號(hào)對(duì)電動(dòng)輪的運(yùn)行狀態(tài)及蓄電池的充放電狀態(tài)進(jìn)行分析與判斷，然后根據(jù)相應(yīng)的算法控制H 橋電路的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)能量的回收與回饋[8]，控制程序設(shè)計(jì)圖如圖4。

圖4 控制程序設(shè)計(jì)圖

1）制動(dòng)能量回收與利用效率最優(yōu)化。由于礦車(chē)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，道路崎嶇不平，坡度較大，造成電動(dòng)輪的各項(xiàng)電氣參數(shù)變化很大，這需要根據(jù)礦用卡車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)及道路狀況制定合適的控制策略，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間實(shí)現(xiàn)能量的回收回饋過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收與利用效率最大化[9]。

2）蓄電池荷電狀態(tài)工作區(qū)間最優(yōu)化。蓄電池荷電狀態(tài)的運(yùn)行區(qū)間在很大程度上影響到蓄電池的使用壽命與使用效率，電池工作區(qū)間的最優(yōu)化能有效的延遲蓄電池的使用壽命，增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

3）卡車(chē)牽引電機(jī)工作區(qū)間的最優(yōu)化。每種型號(hào)的電機(jī)都有各自的特性曲線圖，在電機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，都會(huì)確定出一些效率最高的點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為電機(jī)的最佳效率工作點(diǎn)，所連成的曲線稱為電機(jī)最佳效率曲線。在滿足電機(jī)性能的情況下，使電機(jī)盡可能工作在特性曲線最優(yōu)區(qū)間上，能使電機(jī)的工作效率最優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)礦用自卸卡車(chē)電氣制動(dòng)的特點(diǎn)與過(guò)程，對(duì)制動(dòng)能量回收與回饋系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過(guò)在中煤平朔集團(tuán)露天采礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性均達(dá)到了實(shí)際使用需求，對(duì)礦用卡車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的的能量進(jìn)行了有效回收與利用，在節(jié)能減排、資源利用與回收、減少環(huán)境污染方面具有積極意義。